ZnO上ZnCdO的选择性湿法刻蚀 南通华林科纳

引言

最近在外延膜的导电率控制和高质量块状氧化锌衬底的可用性方面的进展重新引起了我们对用于紫外光发射器和透明电子器件的氧化锌/氧化锌/氧化锌异质结构系统的兴趣。虽然GaN/AlN/InN系统被用于这些相同的应用，但氧化锌有一些特殊的优势，如在玻璃等廉价的底物上相对较低的生长温度，以及比氮化镓大得多的激子结合能。后者对于在高温下实现强大的光发射非常重要。与氮化镓相比，氧化锌系统也有更简单的处理，在安全温度下不能在传统的酸混合物中湿蚀刻。

如果使用非导电基底，在LED器件形成时需要湿蚀刻。二元氧化锌可以在许多常见的酸溶液中蚀刻，包括HNO3/HCl和HF。我们发现，在Zn0.9Mg0.1O/ZnO系统中，盐酸在水中的高稀释因子下，ZnMgO对氧化锌的湿蚀刻选择性可以超过400。在本文中，我们报道了使用稀释的盐酸和磷酸混合物选择性蚀刻ZnCdO超过氧化锌的成就。

实验

在c面蓝宝石基底上对氧化锌和ZnCdO单层进行MBE生长。用低温细胞蒸发6n纯度的Zn、Cd和Mg。原子氧通量由射频射频等离子体源产生。该源的O2流量为2-5标准立方厘米每分钟，根据锌通量和正向功率为150w。蓝宝石表面热清洗后，基底温度降低至400-600°C。氧化锌的生长是通过同时打开锌和原子氧百叶窗来启动的，以确保随着生长的薄膜的锌的极性。为了减少可变生长参数的数量，TS400°C和Zn/O通量比

---

1.5：1

---

保持不变，仅使用Cd细胞温度来控制生长过程中的组成。生长后，对样品进行室温CL测量，以确定ZnCdO的近班德奇发射峰的光谱位置。通过后向散射和校准的x射线光电子光谱

---

XPS

---

测量结果验证了Cd的组成，确定为4.8±0.3%。我们的ZnCdO的实验带隙是在25°C下阴极发光

---

CL的

---

测量的

---

2.9。通过CL发射图证实，CdZnO薄膜中没有相分离。

作为溶液浓度和温度的函数，用盐酸/H2O或磷酸/H2O溶液进行湿法蚀刻。光致抗蚀剂掩模用于产生特征，在丙酮中蚀刻后去除掩模后，通过触针轮廓术测量特征的深度。

结果和讨论

 

图1显示了在25°C下，HCl/h2o或h3po4/h2o的Zn0.95Cd0.05O蚀刻速率与溶液浓度的函数。在这组溶液浓度下，获得了在（< 100nm minmin−1）范围内的可控制的蚀刻速率。注意，我们使用了高的含水的酸稀释因子，以获得可控的蚀刻速率。使用纯盐酸或磷酸产生了非常高的速率和广泛的冒泡在溶液中，导致不均匀，粗糙的表面。

图1 不同浓度盐酸和磷酸溶液稀释ZnCdO的蚀率

为了确定蚀刻过程中的速率限制步骤，我们测量了蚀刻速率在25-75°C范围内作为溶液温度的函数。在这里使用的稀混合物中，通常蚀刻速率受到活性蚀刻剂向ZnCdO表面的扩散，或可溶性产物的扩散的限制，即蚀刻是受扩散限制的。其特征包括蚀刻深度与蚀刻时间的平方根依赖性，活化能 ≤ 6千卡mol−1，以及蚀刻速率对溶解搅动的强烈依赖性。

图2显示了两种溶液在与水的高稀释系数下，ZnCdO的蚀刻速率图。在此条件下，这与扩散受限的蚀刻相一致。

图2 0.0031M盐酸和0.0029M磷酸溶液中稀释后ZnCdO蚀刻速率图

 

在相同的稀释因子下，在两种混合物中蚀刻ZnCdO对氧化锌的选择性如图3所示，在稀酸混合物中，氧化锌蚀刻速率在30-90nmmin−1的范围内。HCl/h2o在最佳条件下溶液的选择性超过50，而对h3po4/h2o的最大选择性为。设备制造方案中的一个经验法则是，在大多数情况下，至少10个的选择性是可取的。

图3 室温下硫化锌对氧化锌的刻蚀选择性是溶液浓度的函数

 

利用选择性蚀刻配方，当选择性地蚀刻蓝宝石上的氧化锌层ZnMgO层时，可以获得干净的图案转移，如图4的光学显微镜图像所示，显示了扫描电子显微镜下的ZnCdO层选择性模式的图像。

图4 光学显微镜图像

---

ZnCdO选择性蚀刻底层氧化锌层的顶部

---

。光刻胶面具仍然存在。底部是从底层氧化锌底物中选择性去除ZnCdO的扫描电镜图像

总结

硫化锌可以在盐酸和磷酸的稀溶液中蚀刻。这些酸与水的高稀释系数提供了30–90nm min-1范围内的可控蚀刻速率，对相同条件下生长的氧化锌具有足够的选择性。光致抗蚀剂为在这些酸溶液中图案化ZnCdO提供了稳定和方便的掩模。对于这种异质结构系统，简单的湿法解决方案的可用性简化了台面型氧化锌基发光二极管的加工，并且避免了对等离子体蚀刻工艺的需要，等离子体蚀刻工艺会损坏氧化锌表面。

审核编辑：符乾江